赫章特大橋施工最大懸臂狀態(tài)風(fēng)致抖振響應(yīng)分析*

楊鴻波

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司　貴陽　550081)

赫章特大橋施工最大懸臂狀態(tài)風(fēng)致抖振響應(yīng)分析*

楊鴻波

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要文中以赫章特大橋為研究對象，進(jìn)行了最大懸臂狀態(tài)風(fēng)致抖振響應(yīng)分析。對橋址區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬，在此基礎(chǔ)上開展最大懸臂施工階段的風(fēng)致抖振響應(yīng)分析，獲得了結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移響應(yīng)規(guī)律。采用Diekemann舒適度指標(biāo)對該橋施工人員的安全性和舒適性進(jìn)行預(yù)評。分析結(jié)果表明，施工最大懸臂狀態(tài)在抖振作用下的Diekemann舒適度指標(biāo)值較小，對施工人員安全性、舒適性影響不大。

關(guān)鍵詞連續(xù)剛構(gòu)橋最大懸臂施工狀態(tài)抖振響應(yīng)Diekemann 指標(biāo)

隨著連續(xù)剛構(gòu)橋墩高和跨度的不斷增加，結(jié)構(gòu)趨于輕柔化和長細(xì)化，風(fēng)致振動問題更為顯著。尤其風(fēng)致抖振問題在大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋施工過程需要重點(diǎn)關(guān)注[1]。同時，高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工合龍前結(jié)構(gòu)體系尚未形成，使得風(fēng)致抖振問題更為突出，因而風(fēng)致振動響應(yīng)就成為橋梁設(shè)計、施工人員十分關(guān)心的問題[2]。本文以赫章特大橋為背景工程，首先開展大橋周圍風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬，基于隨機(jī)抖振分析理論，利用諧波合成法模擬脈動風(fēng)場，建立抖振力風(fēng)荷載模型，采用有限元對該橋進(jìn)行了脈動風(fēng)場的抖振分析,并利用抖振分析結(jié)果對該橋施工人員的安全性和舒適性進(jìn)行了評估。

1工程背景

赫章特大橋為貴州畢威高速公路赫章段的一座跨河特大橋。主橋上部結(jié)構(gòu)為96 m+2×180 m+96 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋。橋梁下部結(jié)構(gòu)主墩為薄壁墩空心墩，11號主墩高達(dá)195 m，為預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)世界第一高墩。構(gòu)造示意圖見圖1、圖2。

圖1　赫章特大橋總體布置圖(單位：cm)

圖2　11號主墩構(gòu)造圖(單位：cm)

2西部山區(qū)風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬

在平原和沿海地區(qū), 其橋位處的風(fēng)特性大多屬于A類或B類地貌。對于這2類地貌的風(fēng)環(huán)境特性,我國的橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范已經(jīng)給出了相應(yīng)的平均風(fēng)剖面與湍流特性參數(shù)，抗風(fēng)計算或風(fēng)洞試驗時可以直接采用。但對位于地形復(fù)雜的山區(qū)橋梁，橋址處風(fēng)場復(fù)雜，目前國內(nèi)外橋梁風(fēng)工程界的相關(guān)研究非常少，我國抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范中也沒有明確處理方法，峽谷和山口因兩側(cè)山高，氣流受阻, 在峽谷、山口處形成高風(fēng)速區(qū), 通常風(fēng)速增大10%～20%，相應(yīng)地風(fēng)壓增大20%～40%，因此對赫章特大橋橋址處進(jìn)行了風(fēng)特性數(shù)值模擬。

模擬中在橋位上設(shè)置14個風(fēng)速監(jiān)測點(diǎn)，所有的風(fēng)速監(jiān)測點(diǎn)通過與設(shè)置在地面附近的氣象站風(fēng)速觀測點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)速大小對比來標(biāo)定橋位處的風(fēng)速分布。風(fēng)速測點(diǎn)對應(yīng)分別為橋面上各個橋墩位置及主跨的跨中位置分別對應(yīng)的1～7測點(diǎn)，11號主墩的3個測點(diǎn)(橋墩1/4，1/2，3/4高度處)及旁邊4個橋墩中間位置處布置的4個測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)布置見圖 3。為了進(jìn)一步獲得場地地形類別參數(shù)，將橋位處不同高度處的修正系數(shù)與橋位10 m高度的修正系數(shù)(數(shù)值計算為0.78)相比，建立橋位風(fēng)速修正系數(shù)關(guān)系圖，見圖4，擬合結(jié)果顯示α=0.21最接近分析結(jié)果，由此可見橋位場地類別接近C類場地。

圖3　橋位風(fēng)速監(jiān)測點(diǎn)布置圖

圖4　風(fēng)場指數(shù)擬合結(jié)果

3脈動風(fēng)場模擬

脈動風(fēng)場的數(shù)字模擬是時域抖振分析的前提[3]。本研究采用FFT技術(shù)對隨機(jī)過程進(jìn)行了模擬，從而獲得各質(zhì)點(diǎn)處的脈動風(fēng)速時程。施工階段設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速為33.2 m/s。11號主墩主梁分為12塊，編號方式為主梁與橋墩連接處依次向左為第1~6塊，依次向右為第7~12塊，橋墩從上至下依次為13~18塊。10號、12號主墩主梁分為12塊，橋墩分為4塊，編號方式各墩相同。分塊后，所得的風(fēng)速塊區(qū)域中心點(diǎn)離地面高度見圖5。經(jīng)FFT模擬計算，11號主墩1號塊和12號主墩的脈動風(fēng)速-時程曲線見圖6。

a)　11號主墩

b)　12號主墩

a)　11號主墩

b)　12號主墩

4施工最大懸臂狀態(tài)動力特性分析

采用ANSYS建立主墩最大懸臂施工階段下有限元模型，對該模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力特性分析。其中主梁與墩柱采用三維空間梁單元模擬，整個橋梁的上部結(jié)構(gòu)在承臺處固結(jié)。由表1可見，在11號主墩施工最大懸臂階段，第1和第2階振型分別為橋墩縱橋向和側(cè)向彎曲，前兩階自振頻率分別為0.152和0.188 Hz，而第3階自振頻率為0.376 Hz，說明前兩階振型對結(jié)構(gòu)振動起主要控制作用。12號主墩施工最大懸臂狀態(tài)前3階自振頻率分別為0.163，0.214，和0.263 Hz，而第4階自振頻率為0.551 Hz，說明前3階振型對結(jié)構(gòu)振動起主要控制作用。

表1　主墩施工最大懸臂狀態(tài)動力特性分析表

5結(jié)構(gòu)抖振響應(yīng)分析

將風(fēng)速時程轉(zhuǎn)化為抖振力時程，施加在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上，進(jìn)行瞬態(tài)分析，分析采用時間步長為0.01 s，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.02。作用在結(jié)構(gòu)上的抖振力可以按照下式計算：抖振響應(yīng)分析中結(jié)構(gòu)受到的風(fēng)荷載包括靜風(fēng)力、抖振力。由于混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋剛度較大，可不考慮自激力作用，抖振力采用Davenport抖振力模型[4-6]，抖振分析采用前40 s風(fēng)速時程，計算得到11號主墩和12號主墩主梁上迎風(fēng)側(cè)懸臂端節(jié)點(diǎn)位移，其時程曲線見圖7。

a)　11號主墩

b)　12號主墩

5.1　結(jié)構(gòu)抖振響應(yīng)結(jié)果分析

最大懸臂施工階段抖振響應(yīng)分析分別取11號主墩和12號主墩結(jié)果為參考對象，在脈動風(fēng)作用下，11號主墩豎向位移最大值為2.568 cm，橫橋向最大位移為7.301 cm；豎向位移平均值為0.701 cm，橫橋向位移平均值為4.632 cm。12號主墩豎向位移最大值為1.823 cm，橫橋向最大位移為14.457 cm；豎向位移平均值為0.128 cm，橫橋向位移平均值為3.595 cm，關(guān)鍵點(diǎn)位移響應(yīng)見表2。

表2　關(guān)鍵點(diǎn)位移響應(yīng)　cm

5.2　施工人員安全性和舒適性評價

橋梁振動會對人體產(chǎn)生心理和生理效應(yīng)。風(fēng)引起的橋梁抖振會引起施工人員的不舒適和不安

全感。人對諧振的感覺和反應(yīng)通常可用Diekmann 指標(biāo)K值來衡量，其評定標(biāo)準(zhǔn)見表 3和表 4。

表3　Diekemann 指標(biāo)K計算公式

表4　Diekemann 指標(biāo)K評定標(biāo)準(zhǔn)

盡管抖振響應(yīng)不是一個單一頻率的諧振, 但由于橫向振動和豎向振動均由一種模態(tài)起控制作用，故仍可以當(dāng)作單一頻率的諧振來對待。該橋最大懸臂施工階段橫向、豎向自振頻率值及Diekmann指標(biāo)值見表5和表6。

表5　11號主墩最大懸臂施工狀態(tài)K值

表6　12號主墩最大懸臂施工狀態(tài)K值

結(jié)果表明，各主墩最大懸臂施工狀態(tài)時的橫向振動和豎向振動的K值均小于10，即未超過人員在短時間內(nèi)能承受的容許值,因此該橋風(fēng)致抖振響應(yīng)下施工人員的安全性和舒適性良好。

6結(jié)論

開展了西部山區(qū)地形風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬，在西部山區(qū)脈動風(fēng)的影響較大，它是引起橋梁抖振的重要原因。分析和比較了施工階段的橋梁動力特性，11號主墩最大懸臂施工狀態(tài)橋墩縱向彎曲和橋墩側(cè)彎是主要控制振型，12號主墩最大懸臂施工狀態(tài)主梁單幅側(cè)彎、橋墩單幅縱橋向彎曲和橋墩單幅側(cè)彎是主要控制振型。各主墩最大懸臂施工狀態(tài)時的橫向振動和豎向振動的K值均小于10，即未超過人員在短時間內(nèi)能承受的容許值，因此該橋風(fēng)致抖振響應(yīng)下施工人員的安全性和舒適性良好。

收稿日期：2015-09-01

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.05.002